JP2005531646A - 燃料電池に使用する高分子電解質膜 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の一実施形態では、高分子電解質膜は、高分子の側鎖に酸性基を有する炭化水素系高分子から作られる。「炭化水素系」とは、他の原子が存在してもよいが、高分子がその主鎖に沿って主として炭素と水素で構成されていることを意味する。酸性基は高分子の主鎖に直接結合しておらず、主鎖から延びる側鎖に結合している。酸性基は、主鎖から1〜12原子離れた側鎖の原子に結合していることが好ましく、主鎖から4〜10原子離れた側鎖の原子に結合していることがより好ましい。「側鎖に結合」とは、酸性基の少なくとも約65重量%が側鎖に結合していることを意味し、好ましくは少なくとも約75%、より好ましくは少なくとも約85%、特に好ましくは実質的にすべての酸性基が側鎖に結合していることを意味する。
本発明の別の実施形態では、高分子電解質膜は、酸性炭化水素系高分子またはオリゴマー、あるいはそのブレンドから、塩基性材料と組み合わせて作られる。こうした膜において、特に高温では、主として酸/塩基の相互作用がプロトン伝導を担っている。膜はプロトン伝導で水に依存しておらず、その結果、膜の水管理問題が低下する。
本発明の別の実施形態では、高分子電解質膜は、固体炭化水素系高分子とゲル炭化水素系高分子の組合せからなり、固体高分子およびゲル高分子は上記のような酸性基を有するものである。固体高分子およびゲル高分子のブレンドからなる膜は、通常コストが低く、一般に高温(例えば、約100℃超)でNafion(登録商標)膜より性能が優れている。いくつかの実施形態では、固体高分子およびゲル高分子は、どちらも、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリフェニレンオキシド、スルホン化リグノスルホン酸塩樹脂、またはこれらのブレンドである。好ましくは、ゲル高分子の量は、固体高分子の約1重量%〜約30重量%である。
本発明の別の実施形態では、高分子電解質膜は、エポキシ含有高分子と含窒素化合物との組合せで作られる。この膜は、一般にコストが低く、高温(例えば、約110℃超)では通常Nafion(商標)膜より性能が優れている。任意のエポキシ含有高分子を使用してこの膜を作ることができる。エポキシ含有高分子が芳香族エポキシ樹脂であることが好ましい。任意の含窒素化合物を使ってこの膜を作ることができる。含窒素化合物がイミダゾールまたは置換イミダゾールであることが好ましい。一実施形態では、この膜は、約20重量%〜約95重量%のエポキシ樹脂と、約5重量%〜約30重量%のイミダゾールまたは置換イミダゾールとを含む。多くの実施形態では、含窒素化合物はエポキシ樹脂の硬化剤である。イミダゾールおよび置換イミダゾールは、硬化剤としての役割を果たし、かつプロトン伝導度を上昇させる。他の適切な硬化剤としては、第一アミンおよび第二アミンの様々なジアミンが挙げられる。
本発明はまた、本発明の高分子電解質膜を含んだ膜電極アセンブリにも関する。膜電極アセンブリは、高分子電解質膜と、この膜の第1側に配置された第1触媒層と、この膜の第2側に配置された第2触媒層と、この第1触媒層の外に配置されたアノードと、この第2触媒層の外に配置されたカソードとを含む。触媒層は、アノードの内側およびカソードの内側に塗布することができ、あるいは膜の両側に塗布することもできる。本発明はまた、複数の膜電極アセンブリとこのアセンブリの間のセパレータ(flow field plate)とを備えた燃料電池スタックにも関する。
本発明はまた、本発明の高分子電解質膜を含む直接メタノール型燃料電池(DMFC)にも関する。既存の膜はアノードからカソードへ膜を通過するメタノールのクロスオーバーの防止が不完全であるので、DMFCで効果的に機能する高分子電解質膜が必要とされている。クロスオーバーのために、水素供給源として使うことができるメタノールのレベルが約1〜2M未満の濃度に制限される。DMFCが、対象とする多くの用途で使用するのに十分な出力密度を持つには、はるかに高い濃度のメタノール(10Mの範囲)が必要とされると考えられる。本発明の高分子電解質膜は、メタノール・クロスオーバーが低下したDMFCにおいて効果的かつ効率的な膜としての役割を果たすと思われる。
1.できるだけ0.0001gとなるように膜を秤量する。
2.約50mlのDI H2Oを入れた150mlのビーカーに、膜を約5分間入れておく。水のpHを測定する。膜をビーカーに残して水をデカントする。
3.2Mの硝酸を約50mlを加えて30分間置く。次に、この硝酸をデカントし、新しい硝酸を50ml加えてさらに30分置く。膜をビーカーに残してこの硝酸をデカントする。
4.約50mlの新しいDI H2Oをビーカーに加え、30分間膜を浸漬しておく。水をデカントし、約50mlの新しいDI H2Oをビーカーに加える。膜をビーカーに残して水をデカントする。
5.50mlの2MのNaClを50mlのメスシリンダーにはかり分け、ビーカーに加える。NaCl溶液が穏やかにかき混ぜられるように最低に設定したマグネチック・スターラー・プレート上にビーカーを置く。撹拌棒で膜をビーカーの底に保持する必要があるかもしれない。NaClに60分間膜を浸漬しておく。
6.50mlのビュレットを用いて、0.01MのNaOHでNaCl溶液を終点(pH=7)まで滴定する。
7.次いで、終点までに加えたNaOHの容積に基づいて、EWを求めることができる。
この滴定データは、合成方法が一桁改良され、EWがSO3H1モル当たりほぼ1500〜2200gの範囲であることを示した。
・滴定データは、Cs2SO4の添加でEWが低下する可能性を示した。
Claims (45)
- プロトン伝導性の炭化水素系高分子膜を含む高分子電解質膜であって、前記高分子が、主鎖を有し、かつ前記主鎖に結合した側鎖に酸性基を有する高分子電解質膜。
- 前記酸性基がスルホン酸基である、請求項1に記載の高分子電解質膜。
- 前記膜が、層分離形態の微細構造を有する、請求項1に記載の高分子電解質膜。
- 前記酸性基が、前記主鎖から1〜12原子離れている前記側鎖の原子に結合している、請求項1に記載の高分子電解質膜。
- 前記高分子の重量平均分子量が少なくとも約20,000である、請求項1に記載の高分子電解質膜。
- 前記高分子が、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリフェニレンオキシド、スルホン化リグノスルホン酸塩樹脂、およびこれらのブレンドから選択される、請求項2に記載の高分子電解質膜。
- 前記高分子のガラス転移温度が少なくとも約100℃である、請求項1に記載の高分子電解質膜。
- 前記膜の形態の制御を助ける添加剤をさらに含む、請求項1に記載の高分子電解質膜。
- その水和性を上昇させることおよび/またはそのイオン伝導度を上昇させることによって、前記膜を改良する添加剤をさらに含む、請求項1に記載の高分子電解質膜。
- 側鎖が脂肪族炭化水素鎖である、請求項1に記載の高分子電解質膜。
- プロトン伝導性の炭化水素系高分子膜を含む高分子電解質膜であって、前記高分子が、主鎖を有し、かつ前記主鎖に結合した側鎖に酸性基を有する高分子電解質膜と、
前記膜の第1側に配置された第1触媒層と、
前記膜の第2側に配置された第2触媒層と、
前記第1触媒層の外に配置されたアノードと、
前記第2触媒層の外に配置されたカソードと
を含む膜電極アセンブリ。 - 前記アセンブリが第1アセンブリであり、燃料電池スタックを作るために、追加の膜電極アセンブリと前記アセンブリ間のセパレータ(flow field plates)とをさらに含む、請求項11に記載の膜電極アセンブリ。
- 層分離形態の微細構造を有するプロトン伝導性の炭化水素系高分子膜を含む高分子電解質膜。
- 前記高分子が、主鎖を有し、かつ前記主鎖に結合した側鎖に酸性基を有する、請求項13に記載の高分子電解質膜。
- 層分離形態の微細構造を有するプロトン伝導性の高分子膜を含み、前記高分子のガラス転移温度が少なくとも約100℃である高分子電解質膜。
- 前記高分子が、スルホン化芳香族高分子、スルホン化脂環式高分子、スルホン化有機ハイブリッド高分子、およびスルホン化無機ハイブリッド高分子から選択される、請求項15に記載の高分子電解質膜。
- 前記スルホン化無機ハイブリッド高分子が、スルホン化シロキサン含有ハイブリッド、Siloxirane(登録商標)(環状シリコンのペンタグリシダルエーテル)含有スルホン化ハイブリッド、およびこれらのブレンドから選択される、請求項16に記載の高分子電解質膜。
- プロトン伝導性の膜を含む高分子電解質膜であって、前記膜が、塩基性材料と、酸性炭化水素系高分子、酸性炭化水素系オリゴマー、およびこれらのブレンドから選択される酸性材料とを組み合わせて含む高分子電解質膜。
- 前記酸性材料がスルホン化炭化水素系高分子である、請求項18に記載の高分子電解質膜。
- 前記塩基性材料がイミダゾールまたは置換イミダゾールである、請求項18に記載の高分子電解質膜。
- その水和性を上昇させることおよび/またはそのイオン伝導度を上昇させることによって、前記膜を改良する添加剤をさらに含む、請求項18に記載の高分子電解質膜。
- 前記添加剤が高度に水和した塩である、請求項21に記載の高分子電解質膜。
- プロトン伝導性の膜を含む高分子電解質膜であって、前記膜が、塩基性材料と、酸性炭化水素系高分子、酸性炭化水素系オリゴマー、およびこれらのブレンドから選択される酸性材料とを組み合わせて含む高分子電解質膜と、
前記膜の第1側に配置された第1触媒層と、
前記膜の第2側に配置された第2触媒層と、
前記第1触媒層の外に配置されたアノードと、
前記第2触媒層の外に配置されたカソードと
を含む膜電極アセンブリ。 - 前記アセンブリが第1アセンブリであり、燃料電池スタックを作るために、追加の膜電極アセンブリと前記アセンブリ間のセパレータ(flow field plates)とをさらに含む、請求項23に記載の膜電極アセンブリ。
- プロトン伝導性の膜を含む高分子電解質膜であって、前記膜が固体炭化水素系高分子とゲル炭化水素系高分子とを組み合わせて製造され、前記固体高分子およびゲル高分子が酸性基を有する高分子電解質膜。
- 前記酸性基がスルホン酸基である、請求項25に記載の高分子電解質膜。
- 前記固体高分子および前記ゲル高分子が、どちらも、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン、スルホン化ポリエーテルスルホン、スルホン化ポリフェニレンオキシド、スルホン化リグノスルホン酸塩樹脂、およびこれらのブレンドから選択される、請求項25に記載の高分子電解質膜。
- 前記ゲル高分子の量が、前記固体高分子の約1重量%〜約30重量%である、請求項25に記載の高分子電解質膜。
- プロトン伝導性の膜を含む高分子電解質膜であって、前記膜が、エポキシ含有高分子と含窒素化合物とを組み合わせて含む高分子電解質膜。
- 前記エポキシ含有高分子が芳香族エポキシ樹脂である、請求項29に記載の高分子電解質膜。
- 前記含窒素化合物がイミダゾールまたは置換イミダゾールである、請求項29に記載の高分子電解質膜。
- 前記膜の水和性および/またはイオン伝導度を上昇させる添加剤、前記膜の形態を制御するのに効果がある添加剤、耐熱性高分子、およびスルホン化炭化水素系高分子から選択される1種または複数種の添加剤をさらに含む、請求項29に記載の高分子電解質膜。
- 層分離形態の微細構造を有するプロトン伝導性の高分子膜を含む高分子電解質膜であって、前記膜が、同じイオン伝導度および同じ温度で、ほぼ同じ寸法のNafion(商標)膜より低い電気浸透抗力係数を有する高分子電解質膜。
- プロトン伝導性の炭化水素系高分子膜を含む高分子電解質膜であって、前記膜が、温度100℃の燃料電池で動作する際は、その最高イオン伝導度の約5%超を失わず、温度120℃の燃料電池で動作する際は、その最高イオン伝導度の約25%超を失わない高分子電解質膜。
- アノードとカソードに挟まれた高分子電解質膜と、前記アノードへのメタノール燃料の供給とを含む直接メタノール型燃料電池であって、前記高分子電解質膜が、プロトン伝導性の炭化水素系高分子膜を含み、前記高分子が、主鎖を有し、かつ前記主鎖に結合した側鎖に酸性基を有する直接メタノール型燃料電池。
- アノードとカソードに挟まれた高分子電解質膜と、前記アノードへのメタノール燃料の供給とを含む直接メタノール型燃料電池であって、前記高分子電解質膜がプロトン伝導性の高分子膜を含み、前記膜が、塩基性材料と、酸性炭化水素系高分子、酸性炭化水素系オリゴマー、およびこれらのブレンドから選択される酸性材料とを組み合わせて含む直接メタノール型燃料電池。
- アノードとカソードに挟まれた高分子電解質膜と、前記アノードへのメタノール燃料の供給とを含む直接メタノール型燃料電池であって、前記高分子電解質膜が、少なくとも約100℃のガラス転移温度を有するプロトン伝導性の高分子膜を含む直接メタノール型燃料電池。
- 高分子電解質膜の製造方法であって、
主鎖を有し、かつ前記主鎖に結合した側鎖に酸性基を有する炭化水素系高分子を製造するステップと、
前記高分子を、高分子電解質膜として使用するようになされたプロトン伝導性の膜に成形するステップと
を含む方法。 - 前記酸性基がスルホン酸基である、請求項38に記載の方法。
- 前記高分子が、炭化水素系高分子に前記酸性基を付加することによって製造される、請求項38に記載の方法。
- 前記高分子が、炭化水素系高分子のサブユニットに酸性基を付加し、その後前記サブユニットを重合して前記高分子を製造することによって製造される、請求項38に記載の方法。
- 高分子電解質膜の製造方法であって、
固体炭化水素系高分子とゲル炭化水素系高分子とを組み合わせて含み、前記固体高分子およびゲル高分子が酸性基を有する複合高分子を製造するステップと、
前記複合高分子を、高分子電解質膜として使用するようになされたプロトン伝導性の膜に成形するステップと
を含む方法。 - 前記酸性基がスルホン酸基である、請求項42に記載の方法。
- 前記複合高分子が、前記固体高分子の一部を前記ゲル高分子に加工し、得られた前記ゲル高分子と残った前記固体高分子とをブレンドすることによって製造される、請求項42に記載の方法。
- プロトン伝導性の膜を含む高分子電解質膜であって、前記膜が、異なる炭化水素系高分子のブレンド、または炭化水素系高分子とNafion高分子とのブレンドを含む高分子電解質膜。
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